Cours Reproduction et Génétique PDF

IVe Partie Reproduction et Génétique 1 – Introduction: gène, génome, hérédité 2 – Reproduction, fécondation et méiose 3 – Polymorphisme 4 – Hérédité : lois de Mendel et applications en génétique humaine 5 – Hérédité : cas particuliers 6 – Génétique des populations 7 – Bricolage génétique, clo...

IVe Partie Reproduction et Génétique 1 – Introduction: gène, génome, hérédité 2 – Reproduction, fécondation et méiose 3 – Polymorphisme 4 – Hérédité : lois de Mendel et applications en génétique humaine 5 – Hérédité : cas particuliers 6 – Génétique des populations 7 – Bricolage génétique, clonages et OGM 1 Intro Génétique : définitions science de l’hérédité transmission des caractères d’une génération à la suivante support: gènes segment d’ADN qui contient l’information nécessaire à la production d’un ARN/d’une protéine génome : ensemble des gènes d’un individu/d’une espèce 2  Génomes et règnes Organisme Taille du génome Nb de gènes bases / gène (une copie) Bactéries 4000 kb 4 000 1000 Eucaryotes: Levure 12000 kb 6 000 2000 Drosophila 137 Mb 14 000 10000 Riz 466 Mb 40 000 Mammifères 3 Gb 30 000 Homo sapiens 3 Gb 30 000 100 000 Blé 15 Gb 100 000 3  Génomes et règnes Mammifères Gène 1 Gène 2 Bactéries Gène 7 Gène 1 Gène 2 Gène 3 Gène 4 Gène 5 Gène 6 Gène 8 Promoteur Exon Région intergénique Intron 4  Seule une petite partie du génome humain est transcrite et traduite Séquences intergéniques Introns (~19%) (~33%) Gènes Exons (~1,5%) Séquences répétitives (~46%) → Hétérochromatine http://www.ncrna.org/statgenome 5  Le génome humain ± 3,2 milliards de paires de bases (soit 0,9 m d’ADN) répartis en 23 molécules d’ADN (qui forment les chromosomes de la mitose) ± 30 000 gènes différents, dont 20000 encodent des polypeptides Cellules somatiques : 2 copies euchromatine : séquence connue à 99% (depuis 2004) riche en gènes hétérochromatine : séquences répétitives peu de gènes 6 Fonction des gènes humains 7  2. La Reproduction Sexuée: Asexuée: deux parents un seul parent « clonage » 8  Reproduction des procaryotes parent division cellulaire réplication du génome à l’identique tours les individus sont génétiquement identiques (clone) 9 Reproduction des procaryotes sources de variation génétique : mutations échange d’ADN: voir cours de Microbiologie 10  Reproduction des eucaryotes Reproduction sexée : Reproduction asexuée: deux parents un parent produisent des individus différents produits des individus génétiquement identiques (clone) 11  Reproduction asexuée des eucaryotes unicellulaires parent mitose réplication des chromosomes tous les individus sont génétiquement identiques (clone) seule source de variation: mutations 12  Reproduction asexuée un seul individus joue le rôle de parent unique progéniture: génétiquement identique groupe d’individus ayant un génome identique = clone basé sur la division cellulaire et la mitose commune chez eucaryotes unicellulaires (protistes) animaux inférieurs plantes (stolons, boutures, certaines spores…) pas chez les animaux les plus évolués 13  2.2 Reproduction sexuée deux parents progéniture génétiquement différente existe chez tous les eucaryotes seul mode de reproduction chez les animaux supérieurs permet une grande variation génétique entre individus moteur de l’évolution 14 IV.2 Reproduction sexuée : eucaryotes !!! parent 1 parent 2 2n chromosomes (état diploïde) réduction compensatoire de la quantité de matériel g. lors de la formation des gamètes = méiose gamètes n chromosomes (haploïde) fusion des gamètes = fécondation la quantité de matériel génétique par cellule double œuf = zygote 2n chromosomes (diploïde) mitoses pas de changement de la quantité de matériel g./cellule organisme multicellulaire 15  !!! La méiose 1 cellule diploïde INTERPHASE réplication de l’ADN PROPHASE 1 METAPHASE 1 Méiose 1 ANAPHASE 1 TELOPHASE 1 et CYTOCINESE Méiose 2 PROPHASE 2 METAPHASE 2 ANAPHASE 2 TELOPHASE 2 et CYTOCINESE 4 cellules haploïdes 16 Interphase Prophase 1 apparition et appariement réplication de l’ADN des chromosomes homologues (une seule paire illustrée) échanges de segments 17  Prophase 1 5 étapes: Leptotène condensation de l’ADN : apparition des chromosomes Zygotène appariement des chromosomes homologues grâce aux protéines du complexe synaptonémal Pachytène crossing-over/enjambement des chromosomes Diplotène séparation des chromatides, sauf au niveau des chiasmas (disparition du complexe synaptonémal) pause à ce stade chez la femme Diacinèse dernière étape de condensation des chromosomes disparition du nucléole et dispersion de l’enveloppe nucléaire formation du fuseau 18  !!! Les chromosomes homologues en prophase 1 Leptotène Zygotène Pachytène Diplotène Diacinèse chromatine centromères Enjambement chiasmas complexe synaptonémal = Crossing-over 19  Enjambement des chromosomes microscopie électronique 3 chiasmas Tétrade de chr. homologues Alberts et20al  Métaphase 1 Anaphase 1 Télophase 1 séparation des alignement des tétrades chr. homologues de chromosomes Cytocinèse 21 Prophase 2 Métaphase 2 Anaphase 2 séparation des chromatides sœurs (comme mitose) 22  Télophase 2 & cytocinèse 4 cellules filles aux génomes différents ! 23 Assortiment indépendant des chromosomes pendant la méiose paternel Exemple: deux paires de chromosomes maternel En métaphase 1: 2 possibilités Métaphase 2 Combinaison 1 Combinaison 2 Combinaison 3 Combinaison 4 24 Assortiment indépendant des chromosomes pendant la méiose 1 paire de chromosomes: 2 combinaisons possibles dans les gamètes 2 paires de chromosomes : 4 combinaisons différentes 3 paires de chromosomes : 8 combinaisons différentes... n paires de chromosomes : 2n combinaisons différentes 23 paires de chromosomes : 223 = 8 388 608 possibilités 25  Variation génétique et reproduction A chaque génération, une variation génétique est créée par: l’assortiment indépendant des chromosomes paternels et maternels les crossing over la sélection aléatoire des gamètes lors de la fécondation + Nouvelles mutations 26 Chromosomes maternels Chromosomes paternels (homme : 23) Méiose 27  Vie foetale Gamétogenèse ♀ Ovocyte primaire Méiose 1: Arrêt en diplotène Après puberté Ovocyte secondaire Méiose 2: Arrêt en métaphase 2 Globules polaires Fin de la méiose induite Ovule Par la fécondation 28 II.8 Aneuploïdie suite à une méiose anormale Nombre anormal de chromosomes suite à une non-disjonction d’une paire de chromosomes lors de la méiose. Fécondation Méiose normale chez le second parent: Seule une paire de chromosomes est représentée29!  Aneuploïdie suite à une méiose anormale Nombre anormal de chromosomes suite à une non-disjonction d’une paire de chromosomes lors de la méiose. Fécondation Méiose normale chez le second parent: Seule une paire de chromosomes est représentée30! II.8 Aneuploïdie suite à une méiose anormale Nombre anormal de chromosomes suite à une non-disjonction d’une paire de chromosomes lors de la méiose. Chez l’homme : en général létal sauf : trisomie 21 (syndrome de Down) 1enfant /800 trisomie 13, 18 ou 22: mortelles XXY (syndrome de Klinefelter) 1 garçon /1000, stérile XYY 1 garçon /1000, normal trisomie X 1 fille /1000, souvent stérile monosomie X (syndrome de Turner) 1 fille /5000, stérile 31 Exemple d’aneuploïdie: le syndrome de Turner Monosomie X 1 fille /5000 Absence de développement des ovaires, stérilité Œdèmes Nombreux autres problèmes 32  !! La méiose : conclusion réduction du nombre de chromosomes homologues (production de cellules haploïdes) source de variation génétique redistribution des chr. homologues enjambements se produit uniquement lors de la maturation des gamètes dans les organes sexuels mécanisme à différencier de celui de la mitose 33  IVe Partie Reproduction et Génétique 1 – Introduction: gène, génome, hérédité 2 – Reproduction, fécondation et méiose 3 – Polymorphisme 4 – Hérédité : lois de Mendel et applications en génétique humaine 5 – Hérédité : cas particuliers 6 – Génétique des populations 7 – Bricolage génétique, clonages et OGM 34  !!! 3. Polymorphisme et allèle polymorphisme : variation normale de la séquence d’ADN au sein d’une même espèce homme : 99,9% commun, ± 0,1% polymorphique - variations d’1 nucléotide sur 1000 (SNP) soit > 106 SNP / génome - petites insertions, délétions, duplications différencie les chromosomes homologues base génétique des différences entre individus allèles : formes différentes d’un même gène résultant d’un ou plusieurs polymorphisme(s) SNP = « single nucleotide polymorphism35»  !!! Chromosomes homologues en métaphase de mitose Mêmes gènes, différences alléliques, polymorphismes Séquence identique à 99,9 % Chromatides sœurs Séquences identiques à 100% 36  GENE (ADN) promoteur exon 1 intron 1 exon 2 intron 2 exon 3 5’ * 3’ 3’ * brin codant = séquence complémentaire 5’ exon 1 intron 1 exon 2 intron 2 exon 3 ARN prémessager 5’ * 3’ ARN messager 5’ AUG * Stop 3’ protéine N Met * C 37  Départ Stop ADN ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA..TAG (gène) TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT..ATC ARNm AUG GCA UGC GAC UUC GGA GGA..UAG Protéine Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly..Fin 38  Mutation ponctuelle (SNP) ADN ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA..TAG (gène) TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT..ATC ADN ATG GCA TGC GAA TTC GGA GGA..TAG muté TAC CGT ACG CTT AAG CCT CCT..ATC ARNm AUG GCA UGC GAA UUC GGA GGA..UAG Protéine Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly..Fin Glu 39  Mutation non-sens: introduction d’un arrêt prématuré ADN ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA..TAG (gène) TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT..ATC ADN ATG GCA TGC GAC TTC TGA GGA..TAG muté TAC CGT ACG CTG AAG ACT CCT..ATC ARNm AUG GCA UGC GAC UUC UGA GGA..UAG Protéine Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly..Fin Fin protéine tronquée 40  Mutation ponctuelle silencieuse ADN ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA..TAG (gène) TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT..ATC ADN ATG GCA TGC GAT TTC GGA GGA..TAG muté TAC CGT ACG CTA AAG CCT CCT..ATC ARNm AUG GCA UGC GAU UUC GGA GGA..UAG Protéine Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly..Fin GAC et GAU codent tous les deux pour Asp ! 41  GENE (ADN) promoteur exon 1 intron 1 exon 2 intron 2 exon 3 5’ * 3’ 3’ * brin matrice = séquence complémentaire 5’ exon 1 intron 1 exon 2 intron 2 exon 3 ARN prémessager 5’ * 3’ ARN messager 5’ * AUG Stop 3’ N C protéine Met 42 Mutation ponctuelle : remplacement d’une paire de bases de l’ADN par une autre dans un exon – partie traduite : changement d’un codon changement de la séquence de la protéine protéine mutée introduction d’un STOP : protéine tronquée mutation silencieuse, protéine normale promoteur, parties non traduites de l’ARN, introns conséquences plus difficilement prévisibles peut changer l’expression de la protéine 43  Insertion en phase ADN ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA..TAG (gène) TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT..ATC ADN ATG GCA TGC GTA GAC TTC GGA GGA..TAG muté TAC CGT ACG CAT CTG AAG CCT CCT..ATC insersion d’un multiple de 3 nucléotides ARNm AUG GCA UGC GUA GAC UUC GGA GGA..UAG Protéine Met Ala Cys Val Asp Phe Gly Gly..Fin un acide aminé supplémentaire 44  Insertion induisant un décalage du cadre de lecture ADN ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA..TAG (gène) TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT..ATC ADN ATG GCA TGC G GAC TTC GGA GGA..TAG muté TAC CGT ACG C CTG AAG CCT CCT..ATC ARNm AUG GCA UGC GGA CUU CGG AGG A... Protéine Met Ala Cys Gly Leu Arg Arg... séquence différente à partir de l’insertion longueur de la protéine différente !! 45  Délétion en phase ADN ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA..TAG (gène) TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT..ATC ADN ATG GCA TGC TTC GGA GGA..TAG muté TAC CGT ACG AAG CCT CCT..ATC délétion d’un multiple de 3 nucléotides ARNm AUG GCA UGC UUC GGA GGA..UAG Protéine Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly..Fin un acide aminé en moins 46  Délétion induisant un changement du cadre de lecture ADN ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA..TAG (gène) TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT..ATC ADN ATG GCA TGC AC TTC GGA GGA..TAG muté TAC CGT ACG TG AAG CCT CCT..ATC ARNm AUG GCA UGC ACU UCG GAG GA... Protéine Met Ala Cys Thr Ser Gly... séquence différente à partir de la délétion longueur de la protéine différente !! 47 Insertion/délétion dans la séquence de l’ADN dans un exon – partie traduite insersion/délétion d’acide(s) aminé(s) décalage du cadre de lecture promoteur, parties non traduites de l’ARN, introns conséquences plus difficilement prévisibles peut changer l’expression de la protéine 48  Conséquence d’une mutation d’un gène Conséquence pour la structure primaire du polypeptide: Selon le code génétique Conséquence pour la structure tertiaire/quaternaire: l’expression: la fonction: Prédictions bioinformatiques ou expérimentales 49 Polymorphisme Variation de séquence (mutation, insertion, délétion) abolition de l’expression ou de la fonction de la protéine Variation anormale effets partiels sur l’expression pathologique ou la fonction de la protéine mutations silencieuses Variation normale, physiologique entre individus 50  Apparition de nouvelles mutations/délétions/insertions Causes: Rayonnements ionisants : UV, X, radioactivité Produits toxiques Mutations spontanées suite à des erreurs de l’ ADN polymérase Conséquences: Si cette modification survient dans la lignée germinale, elle peut devenir héréditaire (sauf si létale) → sélection naturelle / évolution Si elle survient dans une cellule non germinale (somatique), elle ne sera pas héritée → mutation somatique peut avoir des conséquences graves : cancer 51  Bœuf blanc-bleu-belge mutation naturelle d’une protéine musculaire: la myostatine 52 Mutation du même gène (myostatine) chez un enfant: Hypertrophie musculaire Schuelke et al, NEJM 2004, vol 350, p 2682-8. 53  Moteurs de l’évolution des eucaryotes Modifications génétiques  Méiose : redistribution des allèles à chaque génération  Mutations qui créent de nouveaux allèles au sein d’une population  Création de nouveaux gènes (duplications, translocations… cfr chromosomes) et modifications plus profondes du génome: création de nouvelles espèces Sélection Élimination des modifications délétères Sélection des modifications qui donnent un avantage 54  IVe Partie Reproduction et Génétique 1 – Introduction: gène, génome, hérédité 2 – Reproduction, fécondation et méiose 3 – Polymorphisme 4 – Hérédité : lois de Mendel applications en génétique humaine 5 – Hérédité : cas particuliers 6 – Génétique des populations 7 – Bricolage génétique, clonages et OGM 55  4. Lois de Mendel Gregor Mendel: moine travaillant vers 1860 dans l’abbaye de Brunn (Tchéquie) Etude de la transmission des caractères chez les petits pois Expériences de fertilisation contrôlée 56 Variétés pures: P (parents) fleurs mauves × fleurs mauves F1 (1ère génération) fleurs mauves 57 Variétés pures: P (parents) fleurs blanches × fleurs blanches F1 (1ère génération) fleurs blanches caractère: couleur de la fleur phénotype: mauve ou blanc 58  caractère: couleur de la fleur P (parents) fleurs mauves × fleurs blanches phénotype: mauve ou blanc F1 (1ère génération) fleurs mauves dominance F2 (2e génération) 705 fleurs mauves (75,9%) 224 fleurs blanches (24,1%) 59 P (parents) fleurs violettes × fleurs blanches caractère: couleur de la fleur VV vv 1 gène 2 allèles: violet V dominant gamètes: V v blanc v récessif F1 (1ère génération) fleurs violettes Vv gamètes: V (50%) v (50%) F2 (2e génération) 75% fleurs violettes 25% fleurs blanches VV Vv Vv vv 60  Génération F2 Parent 1 Génotype Probabilité Phénotype Gamètes V v VV 1/4 mauve 1/2 1/2 Vv 2/4 mauve V VV Vv Parent 2 1/2 1/4 1/4 vv 1/4 blanc v Vv vv 1/2 1/4 1/4 VV et vv : homozygotes Vv : hétérozygote 61 Mendel obtient des résultats identiques pour 7 caractères de petit pois: (Campbell, © Pearson) 62 Gene A sur un chromosome donné Deux allèles différents: V and v V Loi de la ségrégation v réplication gamètes V 50% V v MEIOSE v 50% 63  Les lois de Mendel s’appliquent aux maladies humaines (phénotypes) qui sont liées à un seul gène 64  Maladies génétiques humaines liées à un seul gène Récessives (>1000 répertoriées) albinisme absence de pigmentation (peau, yeux) mucoviscidose trop de mucus, trop visqueux anémie falciforme = drépanocytose Dominantes chorée de Huntington dégénérescence cérébrale vers 40 ans achondroplasie nanisme ostéogenèse imparfaite maladie des os de verre 65  Maladies génétiques humaines liées à un seul gène www.onim.org 66  La mucoviscidose gène = CFTR, un canal ionique 2 allèles: normal (« sauvage », « wild-type ») muté (par ex, délétion phe508) → inactivation du canal (récessif) population caucasienne: 4% d’hétérozygotes très rare dans les populations asiatiques et africaines les enfants malades proviennent de parents hétérozygotes: ♂ wt/mut × ♀ wt/mut gamètes : ½ wt ½ wt ½ mut ½ mut wt/wt 25% sains wt/mut 50% mut/mut 25% malades 67  L’anémie falciforme gène = hémoglobine 2 allèles: normal (« sauvage », « wild-type ») muté (récessif): a tendance à polymériser populations africaines: 10% d’hétérozygotes (plus résistants à la malaria ?) très rare dans les populations asiatiques et caucasiennes ♂ wt/mut × ♀ wt/mut gamètes : ½ wt ½ wt ½ mut ½ mut wt/wt 25% sains wt/mut 50% mut/mut 25% malades 68  La maladie de Huntington Maladie dégénérative du cerveau (rare) démence, troubles moteurs… Déclenchement entre 10 et 60 ans (médiane : 35 ans) Mutation dominante dans le gène huntingtin Huntington Normal 69  Maladie de Huntington Huntingtin 67 exons ARNm: 13472 pb Protéine: 3141 résidus 70  Huntington disease Huntingtin 67 exons Allèle sauvage Génotype: Même allèle : homozygote 2 allèles différents : hétérozygote dominance : un allèle (dominant) l’emporte sur l’autre (récessif) co-dominance : les deux allèles s’expriment 72  Cas particulier : mutation létale Allèle normal « wt » (+) Allèle mutant (-) récessif Si les embryons -/- ne se développent pas (avortement spontané) : Parents : ♂ +/- × ♀ +/- Œufs fécondés: 25% +/+ enfants 33,3% +/+ 50% +/- 66,7% +/- 25% -/- létal 73  Analyse du lignage d’une famille Transmission d’un caractère dans une famille Génération 1 (grand-parents) Légende: Génération 2 (parents, oncles, tantes) Couple: ♂ ♀ Génération 3 (enfants) Phénotype: Sain Atteint 74  Analyse du lignage d’une famille Dominant ou récessif ? Le caratrère est transmis par un parent qui est lui-même atteint Probablement dominant doit être confirmé par l’analyse d’autres familles présentant le même Phénotype: caractère. Sain: deux allèles normaux Atteint: hétérozygotes 75  Analyse du lignage d’une famille Dominant ou récessif ? Le caractère peut être transmis par un individu non atteint (porteur sain) Probablement récessif doit être confirmé par l’analyse d’autres familles. Phénotype: Sain: au moins un allèle normal (dominant) Atteint: deux allèles mutés 76  Analyse du lignage d’une famille Caractère récessif et consanguinité Phénotype: Sain: homozygote ou hétérozygote pour l’allèle normal Atteint: homozygote pour l’allèle muté 77  !! Les groupes sanguins oligosaccharides à la surface des globules rouges N-acétylgalactosamine type A lipide ou protéine galactose type O enzyme type B Gène: allèle A (co-dominant) allèle B (co-dominant) allèle O (récessif) 78 Phénotype Génotype Groupe A AA ou AO Groupe B BB ou BO Groupe AB AB Groupe O OO 79  gène du système ABO chromosomes homologues allèle A allèle B Génotype: AB hétérozygote Phénotype: groupe AB 80 Parents : ♂ AA × ♀ OO ♂ AO × ♀ AO gamètes: A O ½A ½A ½O ½O Enfants: AO AA 25% groupe A dominant groupe A AO 50% OO 25% groupe O récessif ♂ AB × ♀ AB ½A ½A ½B ½B AA 25% groupe A AB 50% groupe AB BB 25% groupe B codominance 81  Groupes sanguins Système ABO Système Rhésus 1 gène 1 gène RHD 3 allèles: A, B, ou O 2 allèles: Rh+, Rh- 82 Parents : ♂ Rh+Rh- × ♀ Rh+Rh- gamètes: Rh+ Rh+ Rh- Rh- Enfants: Rh+Rh+ 25% 75% groupe + Rh+Rh- 50% Rh-Rh- 25% 25% groupe - 83  Groupes sanguins Système ABO Système Rhésus 1 gène 1 gène 3 allèles: A, B, ou O 2 allèles: Rh+, Rh- 9q34 1p36 gènes localisés sur 2 chromosomes différents transmission indépendante 84 Parents : ♂ AA Rh-Rh- × ♀ OO Rh+Rh+ homozygotes gamètes: A Rh- O Rh+ pour les deux allèles Enfants: AO Rh+Rh- hétérozygotes groupe A+ pour les deux allèles 85 Parents : ♂ AO Rh+Rh- × ♀ BO Rh+Rh- Quelle est la probabilité qu’un enfant soit AB+ ? probabilité que l’enfant soit AB : ¼ (génotype AB) probabilité que l’enfant soit Rh+ : ¼ (génotype +/+) ¾ + ½ (+/-) probabilité que l’enfant soit AB+ : ¼. ¾ = 3/16 valable pour des gènes transmis de façon indépendante 86  Parents : ♂ AO Rh+Rh- × ♀ BO Rh+Rh- Génotype des enfants Phénotype probabilité A Rh+ A Rh- O Rh+ O Rh- groupe AB+ 3/16 Gamète groupe AB- 1/16 B Rh+ AB AB BO BO Rh+/+ Rh+/- Rh+/+ Rh+/- groupe A+ 3/16 groupe A- 1/16 B Rh- AB AB BO BO Rh+/- Rh-/- Rh+/- Rh-/- groupe B+ 3/16 O Rh+ AO AO OO OO groupe B- 1/16 Rh+/+ Rh+/- Rh+/+ Rh+/- groupe O+ 3/16 O Rh- AO AO OO OO groupe O- 1/16 Rh+/- Rh-/- Rh+/- Rh-/- 87  Exercice Tyrosinémie de type I Mutation dans le gène de la fumaryl-acétoacétate hydrolase Tyrosine Fumaryl-acétoacétate Acétyl-CoA Problèmes hépatiques, rénaux et neurologiques Type de transmission ? Génotype Marie ? Francine ? Michel ? Robert ? 88  IVe Partie Reproduction et Génétique 1 – Introduction: gène, génome, hérédité 2 – Reproduction, fécondation et méiose 3 – Polymorphisme 4 – Hérédité : lois de Mendel et applications en génétique humaine 5 – Hérédité : cas particuliers gènes sur le même chromosome gènes sur un chr. sexuel gènes mitochondriaux 6 – Génétique des populations 89  !! Liaison entre gènes Gènes A et B situés sur le même chromosome Gène A Gène B chromosomes homologues allèle A1 allèle B1 allèle A2 allèle B2 90 Gènes situés sur le même chromosome gamètes A1 B1 50% A1 B1 A2 B2 MEIOSE A2 B2 50% Gène A lié au gène B 91  Gènes situés sur le même chromosome gamètes A1 B1 A1 B1 MEIOSE A2 B2 B1 A2 B2 A1 A2 A1 B2 B2 B1 recombinaison par enjambement des chr. A2 92  Gènes situés sur des loci adjacents gamètes A1 B1 50 % A1B1 A2 B2 50 % A2 B2 MEIOSE A1 B2 Très rares enjambements des chr. très rares B1 A2 93  Fréquence de recombinaison par enjambement proportionnelle à la distance entre les deux gènes très rare entre gènes contigus → gènes fortement liés fréquente entre gènes éloignés : atteint 50% pour des gènes situés à des extrémités opposées équivalent à la distribution de gènes situés sur des chr. ≠ unité de mesure : 1 centimorgan = 1 unité Morgan = 1% 50 % - Détermination de la Fréq. localisation d’un gène en la comparant à un autre qui sert de référence 0- Distance physique sur le chr. 94 Gènes situés sur des loci distants du même chromosome gamètes A1 B1 25% A1 B1 MEIOSE A2 B2 25% B1 A2 B2 A1 recombinaison: 50% A2 A1 B2 25% B2 enjambements fréquents B1 Éventuellement multiples 25% A2 95  Exercice de crossing-over On croise deux types de souris homozygotes de laboratoire qui portent les allèles mutés a et b, respectivement. Si les gènes A et B sont situés sur le même chromosome à 20 centimorgans l’un de l’autre, quelle est la probabilité d’obtenir des souris homozygotes pour les deux mutations en F2 ? 96  Chromosomes sexuels chromosomes humains autosomes chromosomes sexuels Idem pour mammifères XY 97  Systèmes de détermination du sexe oiseaux, certains insectes et poissons: ZW c’est l’ovocyte qui détermine le sexe, pas le spermatozoïde sauterelles: X / zéro abeilles et fourmis un seul chromosome sexuel Pas de chromosomes sexuels: les femelles sont issues d’un oeuf fécondé diploïde les males d’un oeuf non fécondé haploïde 98  ! Caractères liés au sexe gènes déterminant le sexe chromosomes sexuels gènes liés au sexe : X et Y non impliqués dans la détermination du sexe mais présents sur un seul des 2 chr. sexuels: uniquement X (le plus fréquent) uniquement Y (holandrique) gènes communs entre X et Y régions pseudo-autosomiques hérédité : comme autosomes 99  Caractères liés au sexe ex: daltonisme confusion des couleurs myopathie de Duchenne affaiblissement musculaire mortel hémophilie trouble de la coagulation gènes sur le chromosome X (et pas sur Y) ♂ XA Y × ♀ XA Xa femme porteuse (hétérozygote): transmet la maladie à 50% de ses fils XA XA 25% XA Xa 25% sains XA Y 25% hémizygotes Xa Y 25% malades 100 si ♂ Xa Y peut se reproduire : ♂ Xa Y × ♀ XA XA malade saine le père transmet un allèle muté à toutes ses filles XA Xa 50% sains XA Y 50% ♂ Xa Y × ♀ XA Xa probabilité de rencontre beaucoup + faible malade saine XA Xa 25% XA Y 25% sains Xa Xa 25% seul cas où les femmes (50%) sont atteintes Xa Y 25% malades 101 Transmission de l ’hémophilie dans la descendance de la reine Victoria ♀ ♂ 102 Hérédité mitochondriale chromosomes humains génome mitochondrial 103  Hérédité mitochondriale mitochondries : génome de ± 16 000 bases (homme) ARNt et ARNr mitochondriaux 13 gènes sans introns mammifères: beaucoup plus de mitochondries dans un ovule que dans un spermatozoïde → transmission des caractères mitochondriaux par les femmes hérédité maternelle ex: maladies humaines rares comme la myopathie mitochondriale 104  Hérédité mitochondriale : exemple Neuropathie optique de Leber Mutation d’une protéine de la chaine électronique Mutant Normal 105  Hérédité complexe Mendel est tombé sur des caractères transmis selon des règles simples : chaque caractère est contrôlé par un seul gène, pour lequel il n’existe que deux allèles, l’un étant complètement dominant et l’autre complètement récessif Les lois de Mendel n’expliquent pas tout en génétique ! 106  Hérédité complexe La transmission de beaucoup de caractères est bien plus compliquée: gènes multiples avec des allèles multiples dominance partielle gènes liés pénétrance incomplète influence de l’environnement et du mode de vie... Exemple: couleur de la peau (min 3 gènes) diabète 107  Pénétrance Pénétrance : % d’individus atteints parmi les individus ayant un génotype donné Soit l’allèle a récessif responsable d’un maladie… Pénétrance = 100% Tous les individus aa sont malades Pénétrance faible x % Les individus aa ont un risque d’être malade de x % NB: dans les exercices, si rien n’est précisé, la pénétrance est de 100% 108 Neuropathie optique de Leber Mutation d’une protéine de la chaine électronique Mutant malade Mutant sain Normal Pénétrance : % d’individus malades parmi les mutants ici : 50% 109  Exemple 2: le cancer familial Le cancer est causé par des mutations somatiques. Les facteurs environnementaux sont très importants: tabac, alcool, alimentation, virus... Dans la grande majorité des cas, non héréditaire. Cependant, des cas de cancers familiaux existent. 110  Exemple 2: les mutations de BRCA et le cancer Les gènes BRCA1 et BRCA2 encodent des protéines impliquées dans la réparation de l’ADN Ce sont des gènes suppresseurs de tumeurs Des mutations de BRCA1 ou 2 conduisant à une perte de fonction sont à l’origine de cancers du sein et de l’ovaire 111  Exemple 2: les mutations de BRCA et le cancer Les mutations de BRCA1/2 sont dominantes: les hétérozygotes sont atteints les porteurs transmettent le caractère à 50% de leurs enfants Pénétrance incomplète: une femme porteuse d’une mutation de BRCA1 a un risque de 60% de cancer du sein et un risque de 40% de cancer de l’ovaire (comparé à 12% et 1%, respectivement, pour une femme normale) 112  Exemple 2: les mutations de BRCA et le cancer Pour une femme atteinte de cancer du sein précoce liée à une mutation BRCA, quelle est la probabilité que sa fille soit atteinte ? Loi de Mendel La fille a une probabilité de 50% ? de porter la mutation BRCA1 Si elle porte la mutation, elle présente un risque de 60% de développer un cancer du sein Pénétrance incomplète 113  Exemple 2: les mutations de BRCA et le cancer Pour une femme atteinte de cancer du sein précoce liée à une mutation BRCA, quelle est la probabilité que sa fille soit atteinte ? La fille a une probabilité de 50% ? de porter la mutation BRCA1 Si elle porte la mutation, elle présente un risque de 60% de développer un cancer du sein La probabilité d’être porteuse de la mutation et de développer un cancer du sein = 0.6 x 0.5 = 0.3 = 30% 114 Exemple 2: les mutations de BRCA et le cancer Le fils a aussi une probabilité de 50% de porter la mutation BRCA1 S’il porte la mutation, il présente un risque accru de développer un cancer (sein, prostate...) 115 Exemple 2: les mutations de BRCA et le cancer Les hommes peuvent transmettre la mutation (50%) 116  IVe Partie Reproduction et Génétique 1 – Introduction: gène, génome, hérédité 2 – Reproduction, fécondation et méiose 3 – Polymorphisme 4 – Hérédité : lois de Mendel et applications en génétique humaine 5 – Hérédité : cas particuliers 6 – Génétique des populations 7 – Bricolage génétique, clonages et OGM 117 6. Génétique des populations Une population est un groupe d’individus de la même espèce qui vivent dans la même région et se reproduisent entre eux. 118  6. Génétique des populations OO BB BO AO AO AA OO Population humaine AO Caractère : groupes sanguins OO AB AO Quel sera le génotype et le phénotype des enfants d’un couple pris au hasard dans cette population ? ? + ? 119  6. Génétique des populations Ensemble O OO BB d’allèles B O BO AO A A AO O O = A O B OO O AA O AO O B O B A AO OO AB A O A O O A ? + ? Génotype d’un enfant du couple: prendre deux allèles au hasard → probabilités 120  6. Génétique des populations Loi de Hardy – Weinberg : calcul des fréquences d’allèles et de génotypes dans une population Dans une population à l’équilibre, la proportion des allèles est constante d’une génération à la suivante conditions: croisements entre individus au hasard population infiniment large pas de sélection naturelle population fermée pas de mutations méiose normale 121 Soit A et a, les 2 allèles d’un gène si la fréquence d’individus AA est x (x + y + z = 1) Aa y aa z alors la fréquence p de l’allèle A est 2x + y p= 2 et la fréquence q de l’allèle a est 2z + y q= et p+q=1 2 122 Soit A et a, les 2 allèles d’un gène si la fréquence des allèles A est p p+q=1 a q alors la fréquence d’homozygote AA est x = p2 aa est z = q2 d’hétérozygote Aa est y = 2.p.q et x + y + z = 1 123  Exemple 1 Groupe Rhésus: dans la population caucasienne: 85% Rhésus + Fréquence des allèles + et - ? 124  Exemple 2 Mucoviscidose: dans la population caucasienne: 4% d’hétérozygotes +/- très rare dans les populations asiatiques et africaines Quelle est la fréquence de la maladie ? 125 Modifications de la loi de Hardy – Weinberg : Dans une population à l’équilibre, la proportion des allèles est constante d’une génération à la suivante conditions: croisements entre individus au hasard population infiniment large modifie fréq de génotype pas de sélection naturelle population fermée pas de mutations modifie fréq des allèles rares méiose normale sélection des génotypes qui donnent un avantage reproductif influence de l’immigration/émigration apparition de nouveau allèles 126  IVe Partie Reproduction et Génétique 1 – Introduction: gène, génome, hérédité 2 – Reproduction, fécondation et méiose 3 – Polymorphisme 4 – Hérédité : lois de Mendel et applications en génétique humaine 5 – Hérédité : cas particuliers 6 – Génétique des populations 7 – Bricolage génétique, clonages et OGM 127 Reproduction asexuée artificielle des mammifères: le clonage Premier mammifère cloné : Dolly, 1997 128  Clonage par transfert du noyau d’une cellule somatique Mère génétique Cellule somatique parentale cultivée in vitro fusion par choc électrique Œuf cloné Œuf non fécondé Donneur élimination d’ovocyte du noyau mitoses in vitro Embryon Agneau cloné : Dolly Mère porteuse 129  Le clonage humain Création artificielle d’un « vrai jumeau » Problèmes éthiques: statut de l’embryon humain unicité de chaque individu respect de la nature humaine Problèmes techniques: méthode actuelle peu efficace 1 succès sur 400 ne fonctionne pas chez le singe animaux clonés malades ? Problèmes juridiques: la science avance plus vite que la loi internationalisation de la recherche : interdit en Belgique mais pas dans tous les pays 130  Le clonage humain à visée médicale: production de cellules souches e Patient (peau) Transfert de noyau Îlots pancréatiques Cellules sanguines Cellules humaines Embryon humain cloné Cellules cardiaques différenciées = « pièces de rechange »? e Hépatocytes Neurones Cellules souches embryonnaires Tachibana et al, Cell 153, 1228–1238 (Juin 2013) 131  Production de cellules souches sans clonage e Patient (peau) introduction de 4 gènes à l’aide d’un rétrovirus Îlots pancréatiques Cellules sanguines Cellules humaines Cellules cardiaques différenciées = « pièces de rechange »? Hépatocytes Neurones Cellules souches induites Shinya Yamanaka (2007) Prix Nobel 2012 132 Organismes génétiquement modifiés « OGM » Organisme qui possède une modification génétique héréditaire introduite artificiellement par « génie génétique ». En pratique : modification d’un gène existant (inactivation, mutation…) « knock-out » ou ajout d’un nouveau gène (« transgénique ») Industrie alimentaire: plantes résistantes à un insecte particulier plantes résistantes à un pesticide saumons géants Recherche: souris de laboratoire mutantes 133  OGM : le débat un gène et donc une protéine en plus ou en moins… Santé: pas de problème connu, sauf peut-être allergies analyse au cas par cas : augmentation ou diminution des pesticides les OGM sont surtout utilisés pour nourrir le bétail Environnement: dissémination d’espèces modifiées au détriment des espèces naturelles transmission du gène à des espèces naturelles (maïs) développement de résistance aux pesticides Impact économique productivité augmentée (+20% ?) brevets et monopoles 134  Bœuf blanc-bleu-belge (n’est pas un OGM) mutation naturelle de la myostatine (protéine musculaire) 135  CRISPR‐CAS9 Cas9 = Enzyme bactérienne CRISPR = système de défense des bactéries contre l’ADN étranger Application en génie génétique: o Introduit une mutation dans un gène de façon contrôlée grâce à un ARN guide o Permet de corriger des mutations ou d’inactiver un gène o Champs d’applications immense o Premiers essais cliniques en cours o Considérations éthiques 136  CRISPR‐CAS9: principe Nucléase Cas9 + guide ARN Gène cible Knock out Mutation 137 138